河北北方学院体育馆弦支穹顶结构预应力施工过程分析

曹 江 罗 斌 郭正兴 陈宗学

1. 中建八局工程研究院 上海 200122；2. 东南大学土木工程学院 江苏 南京 210096；3. 河北建设集团股份有限公司 河北 保定 071000

弦支穹顶结构自提出以来，便凭借其独特的结构理念、高效的传力机制以及简洁美观的造型在工程建设中得到广泛应用[1-3]。弦支穹顶作为一种先进的预应力空间结构，一般由上部单层网壳和下部弦支索杆体系组成，其预应力施工方法一般包括三大类，即环向索张拉、径向索张拉和撑杆顶升[4]。

预应力钢结构的施工不能是简单地进行索的张拉，因为在预应力逐步建立的过程中，其他环索、径向索以及相邻其他构件的内力均会受到不同程度的影响。因此需详尽地对结构以及其施工过程进行分析，以掌握结构的特性，保证施工过程的安全，选择合理的预应力施加方案，确定结构的施工参数和施工控制目标等。本文结合河北北方学院体育馆钢屋盖弦支穹顶工程项目，采用ANSYS有限元软件，对该结构进行施工全过程分析，确定了合理的拉索张拉施工方案，为工程施工提供可靠依据。

1 工程概况

河北北方学院体育馆钢屋盖弦支穹顶结构由上部单层网壳和下部索杆体系构成，是传统索穹顶与空间网壳的混合体（图1）。

整个弦支穹顶的边界节点与环形钢梁通过焊接球节点连接，环形钢梁的部分节点与柱的连接采用铸钢球铰支座形式，共设32个支座，球铰支座安装在下部钢筋混凝土框架柱顶上。

屋盖结构的平面投影为类椭圆形（图2），尺寸约为89.9 m×82.7 m，结构上部单层网壳为凯威特型和联方型结合布置，网壳最高点标高为25.36 m，由于网壳周边支撑不等高，结构在x、y这2个方向上的矢高分别为4.14 m和4.86 m；下部弦支索杆体系为Levy体系，设置有5圈环索、6道径向钢拉杆，最内圈径向钢拉杆与中心撑杆连接。本工程在分析过程中，将5圈环索由内向外编号为HS1～HS5。

图1 体育馆屋盖结构轴测图

图2 结构平面示意

弦支穹顶下部索杆体系由环索、径向索和撑杆构成。其中环索为Galfan索，径向索为钢拉杆，撑杆采用圆钢管，上端与网壳采用焊接球节点连接，下端与索夹固接。

2 施工方案

根据本工程特点，经详细的结构分析和方案比对，确定采用环向索张拉法在结构中建立所需的预应力，总体施工方案[5-6]如下：第1步，搭设满堂脚手架至网壳节点安装位置，采用高空散拼的方法，按照施工图拼装上部单层网壳（图3）；第2步，待网壳拼装完成后，将网壳支座初步固定，同时，随着网壳拼装作业过程的开展，逐环安装撑杆和相应的拉索；第3步，从外环向内环进行第1次循环张拉，达到90%设计索力；第4步，将结构脱离支架，从内环向外环开始第2次循环张拉，使环索达到100%设计索力；第5步，张拉完成后，拧紧索夹；第6步，拉索施工完毕后，安装马道和屋面材料等。

图3 单层网壳拼装胎架布置

具体张拉顺序：第1阶段，由外环索向内环索逐圈进行张拉，每圈环索张拉至90%目标索力；第2阶段，由内环索向外环索逐圈进行张拉，每圈环索张拉至100%目标索力（图4）。

图4 弦支穹顶环索张拉施工顺序示意

进行预应力施工时，外5环采用环索张拉法，最内环采用径向索张拉法；同一环的环索或径向索同步分级张拉。外5环在张拉环索时，为减小索夹摩擦力引起的环索索力损失，从外向内5环环索的张拉点的数量分别为8、8、6、4、4（图5）。

本工程在拉索的任一张拉端均设置操作平台进行同步张拉施工。为控制结构的整体位形和撑杆垂直度，以及预应力建立的均匀性，同环拉索需同步分级张拉。同步张拉细分为6级：0→10%（初紧状态）→25%→50%→70%→90%→100%。

弦支穹顶结构只有通过张拉施工，在结构中建立必要的预应力后，才具有较大的结构刚度，以承受较大荷载并维持设计位形。因此，除了构件自身的几何参数和力学特性、构件之间的几何拓扑关系和连接节点之外，预应力也是结构构成的重要内容。结构中的“力”和“形”是统一的，“力”是在对应的“形”上平衡。因此，结构施工时要对“力”和“形”实行双控，即控制索力和结构形状，其中以控制张拉点索力为主。

3 施工过程有限元分析

弦支穹顶结构施工成形过程是一个连续变化的过程，下一阶段的施工会对已完成部分的结构和构件的内力、变形等产生影响，尤其是在结构施工过程中预应力的施加，会使结构形态产生很大改变。只有对结构进行施工全过程分析，掌握结构的特点，跟踪、模拟、计算每个施工阶段的结构内力和位移，才能准确得到施工过程对结构产生的累积效应，保证结构施工安全、有效地进行。

3.1 有限元模型

建立ANSYS有限元计算模型时，单层网壳钢构件采用Beam188单元，撑杆采用Link8单元，拉索和钢拉杆采用仅受拉的Link10单元，支撑胎架采用仅受压的Link10单元。施工分析荷载，根据施工过程仅考虑结构自重和屋面横载[7]。

节点连接形式：单层网壳各节点固结；撑杆与环索采用耦合连接的方式，撑杆下节点与环索对应节点在竖向和径向耦合，环索在环向可以自由滑动。

边界条件：第1阶段，最外环钢环梁在32个支承节点处采用竖向固结、切向固结、径向可滑动（径向无摩擦阻力）的约束方式，同时在网壳各个节点处设置竖向支撑；第2阶段，在第1阶段的基础上拆除网壳各节点竖向支撑使网壳与支架脱开，同时最外圈钢环梁在32个支承节点处继续采用竖向固结、切向固结、径向可滑动（径向有摩擦因数为0.1的摩擦阻力）的约束方式。

注意到结构具有双重非线性（几何非线性和材料非线性）的特点，分析中考虑几何大变形和应力刚化效应。为保证计算过程的连续性，采用拉索初拉力荷载来模拟预应力作用。

3.2 恒载初始态目标索力分析

根据设计要求，图纸给定的弦支穹顶位形是屋面恒载和全部预应力施加后正常使用的几何形态，即在拉索等效预张力和结构恒载共同作用下，结构的跨中竖向位移、单向滑动端支座沿滑动方向的位移接近零。

现根据结构设计给出的环索等效预张力（表1），计算得到恒载初始态下的各环索目标索力（表2、图6）。

表1 环索等效预张力

表2 恒载作用下拉索目标索力

图5 弦支穹顶环索张拉点示意

图6 环索目标索力分析示意

3.3 施工过程模拟

预应力钢结构都具有一定的空间作用，环索在张拉过程中，各环环索之间的索力会相互影响。因此，为满足结构的力与形，应通过施工全过程的有限元分析，确定各环环索张拉工况下结构构件的工作状态及对应的施工张拉索力[8]。利用ANSYS有限元分析软件模拟整个施工张拉过程，分析得到了每个施工阶段的拉索张拉力和环索在张拉过程中索力之间的相互影响情况。

分析结果表明，张拉邻跨的环索时，先前已张拉的环索索力会有一定的变化，但整个施工过程中每环环索的索力变化均小于5%，证明该结构体系的空间作用效应并不明显，可以采用从外环向内环、再从内环向外环循环张拉的施工方法（图7）。

4 结语

预应力钢结构与普通钢结构的重要区别之一在于预应力的施加对结构的形状、内力、其他环索和径向索的索力及相邻其他构件都有所影响，需详尽地对结构的施工全过程进行分析，以掌握结构的特性。

图7 工程现场

本文采用ANSYS有限元分析软件对河北北方学院体育馆钢屋盖结构的施工全过程进行了模拟分析，得出以下几个主要结论：

1）张拉过程中，相邻环索索力相互影响较小，且最内环钢拉杆索力较小，预紧即可满足要求。

2）本结构在施工过程中的最大竖向位移为＋116.41 mm（上挠）和－41.92 mm（下挠），最大挠跨比为1/712。

3）施工过程中网壳杆件的最大等效应力不超过128.26 MPa，处于弹性应力状态。

4）脱架后，结构竖向位移下移，即上挠从＋111.01 mm变至＋82.60 mm、下挠从－0.09 mm变至－36.87 mm；单层网壳杆件最大应力基本没变；环索的应力均有不同程度的变化，最外环索HS5的索力增大3%，其余索的索力均有所下降，下降幅度均不超过9%。

分析结果表明：该工程的施工方案安全可靠，结构在施工过程中的变形较小，受力较为均匀且合理，施工完成后的结构状态满足设计要求，为工程施工提供了重要依据。